JP2004234969A - 固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性を向上させるとともに起動時間を大幅に短縮できる燃料電池セル及び燃料電池を提供する。
【解決手段】一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路８３が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セル３３であって、前記排出口側の端面の角部Ａが面取りされていることを特徴とする
【選択図】図４
【解決手段】一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路８３が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セル３３であって、前記排出口側の端面の角部Ａが面取りされていることを特徴とする
【選択図】図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に、固体電解質型燃料電池セルの信頼性が向上し、起動を迅速に行うことができる固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルからなるセルスタックを収納容器内に収容して構成されており、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで固体電解質型燃料電池セルを加熱する必要がある。
【０００４】
従来、円筒型の固体電解質型燃料電池セルが知られているが、この円筒型の固体電解質型燃料電池セルでは、その端部に非発電部が形成されているため、燃料電池セルが長くなるほど非発電部の割合が小さくなり、発電量が増大することや発電効率が高くなることなどから、固体電解質型燃料電池セルの長さは長い方がよいとされており、文献等では５００ｍｍを越える燃料電池セルや１０００ｍｍ程度の固体電解質型燃料電池セルが紹介されている。
【０００５】
このような長尺の円筒型固体電解質型燃料電池セルを用いた燃料電池においては、発電に関与しない余剰燃料（空気及び水素）を燃焼させる燃焼空間を設け、この燃焼空間内の燃焼ガスにより、燃料電池セルに導入される導入ガスを加熱するとともに、燃焼熱により燃料電池セルを加熱し、熱効率を高めることが行われている。
【０００６】
また、この手法では固体電解質型燃料電池セル自体が熱伝導体となり、燃焼空間で発生する燃焼熱を、固体電解質型燃料電池セルの排出口側端部から他端部に熱伝導させ、固体電解質型燃料電池セル全体が加熱されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−２３７９６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池では、実際に発電するまでの起動時間を短くしようとすると、余剰燃料の燃焼熱により燃料電池セルの一端から急激に加熱する必要があるが、この場合には、固体電解質型燃料電池セル内部での温度差が大きくなり、固体電解質型燃料電池セルが破壊しやすくなるという問題があった。逆に、破壊を防止しようとすると、徐々に昇温する必要があるが、この場合には、起動時間が非常に長くなり、加熱を開始してから燃料電池が発電を開始するまでに長時間を要するという問題があった。
【０００９】
特に、頻繁に起動停止を行うような運転の形態では、発電時間に対して、起動時間の割合が自ずと増えるため、発電が行えない昇温時間が長くなり、これにより格段に発電効率を低下させることになる。
【００１０】
本発明は、固体電解質型燃料電池セルの加熱による破壊を防止し、起動時間を大幅に短縮できる固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質型燃料電池セルは、一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セルであって、前記排出口側の端面の角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１２】
このような固体電解質型燃料電池セルでは、固体電解質型燃料電池セルの排出口の近傍で燃料ガスと酸素含有ガスとを混合させ、燃焼させることで、燃焼熱を発生させることができる。
【００１３】
この燃焼熱を、固体電解質型燃料電池セル自身を熱伝導体として、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面と逆の端面にまで伝導する場合、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面が最初に加熱されるため、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面とその他の部分とでは温度差が生じ、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面に熱応力が発生する。この熱応力が大きすぎる場合には、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面の角部にクラックが発生し、固体電解質型燃料電池セルが破壊される。そのため、一般には固体電解質型燃料電池セルが破壊されないよう徐々に加熱されている。しかしながら、このような手法では起動時間が長くなるという問題がある。
【００１４】
本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、加熱に伴う熱応力が特に集中する燃料電池セルの排出口側の端面の角部を面取りすることで、排出口側の端面の角部への熱応力集中を緩和することができ、急速な加熱が可能となるため、固体電解質型燃料電池セルの破壊の防止と起動時間の短縮とを同時に達成できる。
【００１５】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルは、一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セルであって、前記排出口の角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、加熱に伴う熱応力が発生する固体電解質型燃料電池セルの排出口の角部を面取りすることで、排出口の角部の熱応力による破壊を防止でき、急速な加熱が可能となるため、固体電解質型燃料電池セルの破壊の防止と起動時間の短縮とを同時に達成できる。
【００１７】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルは、前記面取りされた形状がＣ面又はＲ面であることを特徴とする。これらの形状は、面取りされていれば、いずれでもよい。
【００１８】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルの前記面取りは、Ｃ０．０５ｍｍ以上のＣ面であることを特徴とする。本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、Ｃ面をＣ０．０５ｍｍ以上とすることで、固体電解質型燃料電池セルの破壊を確実に防止することができる。
【００１９】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルの前記面取りは、Ｒ０．０５ｍｍ以上のＲ面であることを特徴とする。本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、Ｒ面をＲ０．０５ｍｍ以上とすることで、固体電解質型燃料電池セルの破壊を確実に防止することができる。
【００２０】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルは、固体電解質型燃料電池セルの断面形状が扁平柱状であることを特徴とする。このような形状の固体電解質型燃料電池セルでは、固体電解質型燃料電池セルの断面形状が扁平状になることにより、固体電解質型燃料電池セル１本当たりの発電面積を増加させることができるが、例えば、狭面積側の側部が弧状になっている場合には、曲率の大きい固体電解質型燃料電池セルの狭面積側の側部に熱応力が集中しやすく、急速な加熱により、特に固体電解質型燃料電池セルの破壊が起きやすい。この扁平柱状の固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面の角部や排出口側の排出口の角部を面取りすることで、固体電解質型燃料電池セルの破壊を防止することができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、上記した固体電解質型燃料電池セルを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする。このような燃料電池では固体電解質型燃料電池セルの急速な加熱による破壊を防止できるとともに、起動時間を格段に短縮することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の固体電解質型燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、セルスタック３５の上方に形成された燃焼空間３７と、この燃焼空間３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９と、燃焼空間３７の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００２３】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。セルスタック３５の下方には、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するための燃料ガスタンク４５が設けられ、この燃料ガスタンク４５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００２４】
燃料ガスタンク４５には、燃料電池セル３３の下端部に取り付けられた取付治具５３が螺着しており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。即ち、取付治具５３は、燃料電池セル３３の端部に取り付けられたセル端部側取付治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着する連結部材５３ｂとから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成されている。
【００２５】
セル端部側取付治具５３ａ、連結部材５３ｂには、燃料ガスタンク４５と燃料電池セル３３のガス流路に連通するように貫通孔が形成されている。
【００２６】
また、燃焼空間３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９は、その先端部が燃料電池セル３３間に位置している。この酸素含有ガス供給管３９から供給される酸素含有ガスは、燃料ガスタンク４５側に向けて噴出した後、熱交換部４１側に流れることになる。従って、発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃料電池セル３３間を通って燃料電池セル３３の上方に流れ、発電で用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３のガス流路を通って燃料電池セル３３の上方から吹き出し、燃料電池セル３３の上端近傍、即ち、燃料電池セル３３の排出口側の端面近傍において、燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼するように構成されている。
【００２７】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼空間３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００２８】
熱交換器４１ａは、例えば、プレートフィン型構造とされている。燃焼ガスは、一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００２９】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、熱交換器４１ａのセルスタック３５側端面に設けられており、熱交換器４１ａを通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。また、酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００３０】
また、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼空間３７中の燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａへ導出される。
【００３１】
収納容器３１内のセルスタック３５は、図２に示すように、燃料電池セル３３を３列に整列して構成されており、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材８１で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。なお、図１では４列として記載している。
【００３２】
燃料電池セル３３は、図２に示すように断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には複数のガス流路８３が形成されている。
【００３３】
この燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な支持体３３ａの外面に、多孔質な燃料側電極３３ｂ、緻密質な固体電解質３３ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｄを順次積層し、酸素側電極３３ｄと反対側の支持体３３ａの外面にインターコネクタ３３ｅを形成して構成されている。
【００３４】
即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部ｍと、これらの弧状部を連結する一対の平坦部ｎとから構成されており、一対の平坦部ｎは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部ｎのうち一方には、インターコネクタ３３ｅが形成され、他方の平坦部ｎには、燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、酸素側電極３３ｄが形成されて構成されている。
【００３５】
この弧状部ｍ−ｍ間の距離と、平坦部ｎ−ｎ間の距離の比が大きくなるほど、弧状部ｍに発生する応力は大きくなり、また、弧状部ｍの曲率が大きくなるほど、
弧状部ｍに発生する応力は大きくなる傾向にある。
【００３６】
一方で、燃料電池セル３３あたりの発電量を増大させるためには、弧状部ｍ−ｍ間の距離と、平坦部ｎ−ｎ間の距離の比は大きくなる方が望ましい。これらの理由から、弧状部ｍ−ｍ間の距離は１０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲が望ましく、さらに、１５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲が望ましい。また、平坦部ｎ−ｎ間の距離は２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とすることが望ましく、さらに、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲が望ましい。
【００３７】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には集電部材８５が介在され、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ｂは、支持体３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｅ、集電部材８５を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｄに電気的に接続されている。
【００３８】
図３に本発明の燃料電池セル３３の縦断面図を示す。この燃料電池セル３３に形成されたガス流路８３の下部が供給口であり、ガス流路８３の上部が排出口である。このガス流路８３に燃料ガスを流通させ、燃料電池セル３３の外側に酸素含有ガスを流通させ、発電を行う。このとき、余剰ガスは燃料電池セル３３の排出口の近傍で燃焼し、燃料電池セル３３を加熱する。
【００３９】
そして、燃料電池セル３３は、図３（ａ）に示すように、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部ＡにはＣ面が形成されている。なお、図３（ｂ）に示すように、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部ＡにＲ面を形成してもよい。いずれの燃料電池セル３３も、余剰ガスの燃焼により、燃料電池セル３３が急速に加熱されても、最も熱応力が高くなる排出口側の端面の角部Ａに面取りを施しているため、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａからの破壊が発生せず、急速な起動が可能となる。
【００４０】
なお、発生する応力を、より減少させる点から、Ｒ面を形成する方が、より好ましい。また、発生する応力が、より大きい弧状部ｍに形成された排出口側の端面の角部ＡのみをＲ面とし、その他の部分をＣ面としてもよい。あるいは、弧状部ｍに形成された排出口側の端面の角部ＡのみにＣ面あるいはＲ面を形成してもよい。
【００４１】
図４に本発明の燃料電池セル３３の他の形態の縦断面図を示す。図４（ａ）は、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａと、排出口の角部ＢにＣ面を形成したもので、図４（ｂ）は、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａと、排出口の角部ＢにＲ面を形成したものである。いずれの燃料電池セル３３も、余剰ガスの燃焼により、燃料電池セル３３が急速に加熱されても、熱応力が高くなる排出口の角部Ｂに面取りを施しているため、燃料電池セル３３の排出口側の角部Ｂからの破壊が発生せず、急速な起動が可能となる。
【００４２】
排出口側の角部Ｂに面取りを施す場合も、応力を減少させるという面では、Ｒ面を形成する方が望ましい。
【００４３】
なお、これらの面取りは成形体に施しても、焼結体に施してもよいが、切削性や余分な残留応力を発生させないという点から、成形体、あるいは仮焼体に施す方が望ましい。また、作業性という点では強度の高い焼結体に施す方が望ましい。
【００４４】
なお、これらの面取りはリューターや、サンドペーパー、あるいは治具や、平面研削機などを用いて施されるが、その手法は特に限定するものではない。
【００４５】
以上、説明した本発明の燃料電池セル３３では、熱応力により破壊が発生しやすい扁平状の燃料電池セル３３を急速に加熱した場合でも燃料電池セル３３の排出口側の端面からの破壊が防止され、燃料電池の急速な起動が可能となる。
【００４６】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような扁平状で複数のガス流路８３を有する燃料電池セル３３を用いて説明したが、燃料電池セル３３はガス流路８３が一つであっても良く、燃料電池セル３３の形状は特に限定されるものではない。
【００４７】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を、酸素含有ガス管７３を介して熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して燃料電池セル３３間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管５１を介して燃料電池セル３３のガス流路に供給し発電させる。
【００４８】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３のガス流路の上端から燃焼空間３７内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは燃焼空間３７内に流れ、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。
【００４９】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼空間３７内に導入され、この燃焼空間３７中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼空間３７を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００５０】
さらに、セルスタック３５の上部に燃焼空間３７、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼空間３７で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００５１】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００５２】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを発電空間７５内に確実に供給できる。
【００５３】
また、本発明で形成した燃料電池セル３３の端面への面取りは、熱応力や、その他の応力による破壊を防止できるため、例えば供給口側の端面の角部や、供給口側の端面のガス流路８３の角部に施してもよい。
【００５４】
また、さらに、上記例では、燃料電池セル３３を直列に接続した例について説明したが、並列に接続してもよいことは勿論である。
【００５５】
また、燃料側電極３３ｂを内側電極としたが、酸素側電極３３ｄを内側電極としても良い。
【００５６】
さらに、一つの燃料ガスタンク４５を用いて燃料電池セル３３に燃料ガスを供給する場合について説明したが、本発明では、燃料電池セル３３列毎に燃料ガスタンク４５を設け、これらの間に、燃料電池セル３３を直接加熱するバーナを設けることもできる。この場合には、起動時にバーナにより燃料電池セル３３を直接加熱し、さらに起動を迅速に行うことができる。
【００５７】
【実施例】
先ず、ＮｉＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末とを混合し、この混合物に、ポアー剤と、ＰＶＡからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを加え、混合した支持体材料を押出成形して、内部にガス流路８３を有する扁平状の支持体成形体を作製し、これを乾燥した。
【００５８】
この支持体成形体を用いて、焼成後に長さが１８０ｍｍとなるように支持体成形体を加工し、乾燥後、１０００℃で仮焼した。
【００５９】
次に、ＮｉＯ粉末、８ＹＳＺ粉末（Ｙ２Ｏ３を８モル含有するＺｒＯ２）を、ＮｉＯの金属Ｎｉ換算量とＹ２Ｏ３粉末との比が体積比で４８：５２となるように混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加えて、燃料側電極材料スラリーを作製し、仮焼した支持体成形体表面に厚さが２０μｍになるよう印刷し、燃料側電極成形体を形成した。
【００６０】
また、８ＹＳＺ粉末（Ｙ２Ｏ３を８モル含有するＺｒＯ２）にアクリル系バインダーとトルエンを加えて得たスラリーからドクターブレード法にて厚み４０〜６０μｍの固体電解質シート状成形体を作製した。
【００６１】
次に、支持体成形体の仮焼体上に燃料側電極成形体を形成した表面に、上記固体電解質シート状成形体を、その両端間が平坦部で所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥し、１０５０℃で仮焼した。
【００６２】
この後、ＬａＣｒＯ３系材料と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いてインターコネクタシート状成形体を作製し、先に作製した仮焼体の、露出した支持体成形体の仮焼体の平坦部外面に積層し、支持体成形体、燃料側電極成形体、固体電解質シート状成形体の仮焼体に、インターコネクタシート状成形体を積層した。次に、この積層体を脱バインダ処理し、大気中にて１５００℃で同時焼成した。
【００６３】
次に、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒とから、酸素側電極スラリーを作製し、このスラリーを仮焼した固体電解質シート状成形体の表面に吹き付け、酸素側電極成形体を形成し、また、上記スラリーを焼成したインターコネクタ３３ｅの外面に塗布し、１１５０℃で焼き付け、酸素側電極３３ｄを形成するとともに、インターコネクタ３３ｅの外面にＰ型半導体（図示せず）を形成し、図２に示すような本発明の燃料電池セル３３を作製した。
【００６４】
なお、支持体３３ａの長径（ｍ−ｍ間距離）は２６ｍｍ、短径は３．５ｍｍ（ｎ−ｎ間距離）、燃料側電極３３ｂと酸素側電極３３ｄの間に形成された固体電解質３３ｃの厚みは４０μｍ、酸素側電極３３ｄの厚みは５０μｍ、燃料側電極３３ｂの厚みは１０μｍ、インターコネクタ３３ｅの厚みは５０μｍ、Ｐ型半導体の厚みは５０μｍであった。また、それぞれの燃料電池セル３３の両端部にはそれぞれ１５ｍｍの非発電部を形成した。
【００６５】
これらの燃料電池セル３３の排出口側となる端部の角部Ａと排出口の角部Ｂに、Ｃ面、Ｒ面を施した。なお、Ｃ面、Ｒ面の形成は成形体の状態で行っても、焼結体の状態で行ってもよい。
【００６６】
これらの燃料電池セル３３をそれぞれ１０試料用いて、起動試験を行った。燃料電池セル３３のガス流路８３に燃料ガスを流し、燃料電池セル３３の排出口の近傍で燃料ガスを燃焼させ、燃料電池セル３３の中央部の温度が８５０℃となるまで４０℃／分の昇温速度で加熱し、８５０℃で１時間保持した後、冷却し、それぞれの燃料電池セル３３について破壊やクラックの有無を確認した。
【００６７】
表１に燃料電池セル３３の各部のＣ面、Ｒ面の有無と、燃料電池セル３３の破壊、クラックの発生の有無を示す。
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１から燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａ、排出口の角部ＢにＣ面、Ｒ面を施していない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は１０試料のうち、２つにクラックが発生した。
【００７０】
一方、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａと排出口の角部Ｂのいずれかに、Ｃ０．０５ｍｍ以上のＣ面あるいは、Ｒ０．０５ｍｍ以上のＲ面を施した本発明の試料Ｎｏ．２〜１３はいずれも、燃料電池セル３３の破壊もクラックの発生もなかった。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、固体電解質型燃料電池セルの燃料ガス排出口の近傍にガスの燃焼部を設けた燃料電池セルの排出口側の角部を面取りすることで、急速な加熱による固体電解質型燃料電池セルの破壊を防止できるとともに、起動時間を格段に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】本発明の燃料電池セルを示す縦断面図である。
【図４】本発明の燃料電池セルの他の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３・・・固体電解質型燃料電池セル
８３・・・ガス流路
Ａ・・・排出口側の端面の角部
Ｂ・・・排出口の角部
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に、固体電解質型燃料電池セルの信頼性が向上し、起動を迅速に行うことができる固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルからなるセルスタックを収納容器内に収容して構成されており、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで固体電解質型燃料電池セルを加熱する必要がある。
【０００４】
従来、円筒型の固体電解質型燃料電池セルが知られているが、この円筒型の固体電解質型燃料電池セルでは、その端部に非発電部が形成されているため、燃料電池セルが長くなるほど非発電部の割合が小さくなり、発電量が増大することや発電効率が高くなることなどから、固体電解質型燃料電池セルの長さは長い方がよいとされており、文献等では５００ｍｍを越える燃料電池セルや１０００ｍｍ程度の固体電解質型燃料電池セルが紹介されている。
【０００５】
このような長尺の円筒型固体電解質型燃料電池セルを用いた燃料電池においては、発電に関与しない余剰燃料（空気及び水素）を燃焼させる燃焼空間を設け、この燃焼空間内の燃焼ガスにより、燃料電池セルに導入される導入ガスを加熱するとともに、燃焼熱により燃料電池セルを加熱し、熱効率を高めることが行われている。
【０００６】
また、この手法では固体電解質型燃料電池セル自体が熱伝導体となり、燃焼空間で発生する燃焼熱を、固体電解質型燃料電池セルの排出口側端部から他端部に熱伝導させ、固体電解質型燃料電池セル全体が加熱されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−２３７９６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池では、実際に発電するまでの起動時間を短くしようとすると、余剰燃料の燃焼熱により燃料電池セルの一端から急激に加熱する必要があるが、この場合には、固体電解質型燃料電池セル内部での温度差が大きくなり、固体電解質型燃料電池セルが破壊しやすくなるという問題があった。逆に、破壊を防止しようとすると、徐々に昇温する必要があるが、この場合には、起動時間が非常に長くなり、加熱を開始してから燃料電池が発電を開始するまでに長時間を要するという問題があった。
【０００９】
特に、頻繁に起動停止を行うような運転の形態では、発電時間に対して、起動時間の割合が自ずと増えるため、発電が行えない昇温時間が長くなり、これにより格段に発電効率を低下させることになる。
【００１０】
本発明は、固体電解質型燃料電池セルの加熱による破壊を防止し、起動時間を大幅に短縮できる固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質型燃料電池セルは、一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セルであって、前記排出口側の端面の角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１２】
このような固体電解質型燃料電池セルでは、固体電解質型燃料電池セルの排出口の近傍で燃料ガスと酸素含有ガスとを混合させ、燃焼させることで、燃焼熱を発生させることができる。
【００１３】
この燃焼熱を、固体電解質型燃料電池セル自身を熱伝導体として、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面と逆の端面にまで伝導する場合、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面が最初に加熱されるため、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面とその他の部分とでは温度差が生じ、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面に熱応力が発生する。この熱応力が大きすぎる場合には、固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面の角部にクラックが発生し、固体電解質型燃料電池セルが破壊される。そのため、一般には固体電解質型燃料電池セルが破壊されないよう徐々に加熱されている。しかしながら、このような手法では起動時間が長くなるという問題がある。
【００１４】
本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、加熱に伴う熱応力が特に集中する燃料電池セルの排出口側の端面の角部を面取りすることで、排出口側の端面の角部への熱応力集中を緩和することができ、急速な加熱が可能となるため、固体電解質型燃料電池セルの破壊の防止と起動時間の短縮とを同時に達成できる。
【００１５】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルは、一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セルであって、前記排出口の角部が面取りされていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、加熱に伴う熱応力が発生する固体電解質型燃料電池セルの排出口の角部を面取りすることで、排出口の角部の熱応力による破壊を防止でき、急速な加熱が可能となるため、固体電解質型燃料電池セルの破壊の防止と起動時間の短縮とを同時に達成できる。
【００１７】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルは、前記面取りされた形状がＣ面又はＲ面であることを特徴とする。これらの形状は、面取りされていれば、いずれでもよい。
【００１８】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルの前記面取りは、Ｃ０．０５ｍｍ以上のＣ面であることを特徴とする。本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、Ｃ面をＣ０．０５ｍｍ以上とすることで、固体電解質型燃料電池セルの破壊を確実に防止することができる。
【００１９】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルの前記面取りは、Ｒ０．０５ｍｍ以上のＲ面であることを特徴とする。本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、Ｒ面をＲ０．０５ｍｍ以上とすることで、固体電解質型燃料電池セルの破壊を確実に防止することができる。
【００２０】
また、本発明の固体電解質型燃料電池セルは、固体電解質型燃料電池セルの断面形状が扁平柱状であることを特徴とする。このような形状の固体電解質型燃料電池セルでは、固体電解質型燃料電池セルの断面形状が扁平状になることにより、固体電解質型燃料電池セル１本当たりの発電面積を増加させることができるが、例えば、狭面積側の側部が弧状になっている場合には、曲率の大きい固体電解質型燃料電池セルの狭面積側の側部に熱応力が集中しやすく、急速な加熱により、特に固体電解質型燃料電池セルの破壊が起きやすい。この扁平柱状の固体電解質型燃料電池セルの排出口側の端面の角部や排出口側の排出口の角部を面取りすることで、固体電解質型燃料電池セルの破壊を防止することができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、上記した固体電解質型燃料電池セルを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする。このような燃料電池では固体電解質型燃料電池セルの急速な加熱による破壊を防止できるとともに、起動時間を格段に短縮することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の固体電解質型燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、セルスタック３５の上方に形成された燃焼空間３７と、この燃焼空間３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９と、燃焼空間３７の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００２３】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。セルスタック３５の下方には、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するための燃料ガスタンク４５が設けられ、この燃料ガスタンク４５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００２４】
燃料ガスタンク４５には、燃料電池セル３３の下端部に取り付けられた取付治具５３が螺着しており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。即ち、取付治具５３は、燃料電池セル３３の端部に取り付けられたセル端部側取付治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着する連結部材５３ｂとから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成されている。
【００２５】
セル端部側取付治具５３ａ、連結部材５３ｂには、燃料ガスタンク４５と燃料電池セル３３のガス流路に連通するように貫通孔が形成されている。
【００２６】
また、燃焼空間３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９は、その先端部が燃料電池セル３３間に位置している。この酸素含有ガス供給管３９から供給される酸素含有ガスは、燃料ガスタンク４５側に向けて噴出した後、熱交換部４１側に流れることになる。従って、発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃料電池セル３３間を通って燃料電池セル３３の上方に流れ、発電で用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３のガス流路を通って燃料電池セル３３の上方から吹き出し、燃料電池セル３３の上端近傍、即ち、燃料電池セル３３の排出口側の端面近傍において、燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼するように構成されている。
【００２７】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼空間３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００２８】
熱交換器４１ａは、例えば、プレートフィン型構造とされている。燃焼ガスは、一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００２９】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、熱交換器４１ａのセルスタック３５側端面に設けられており、熱交換器４１ａを通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。また、酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００３０】
また、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼空間３７中の燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａへ導出される。
【００３１】
収納容器３１内のセルスタック３５は、図２に示すように、燃料電池セル３３を３列に整列して構成されており、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材８１で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。なお、図１では４列として記載している。
【００３２】
燃料電池セル３３は、図２に示すように断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には複数のガス流路８３が形成されている。
【００３３】
この燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な支持体３３ａの外面に、多孔質な燃料側電極３３ｂ、緻密質な固体電解質３３ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｄを順次積層し、酸素側電極３３ｄと反対側の支持体３３ａの外面にインターコネクタ３３ｅを形成して構成されている。
【００３４】
即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部ｍと、これらの弧状部を連結する一対の平坦部ｎとから構成されており、一対の平坦部ｎは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部ｎのうち一方には、インターコネクタ３３ｅが形成され、他方の平坦部ｎには、燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、酸素側電極３３ｄが形成されて構成されている。
【００３５】
この弧状部ｍ−ｍ間の距離と、平坦部ｎ−ｎ間の距離の比が大きくなるほど、弧状部ｍに発生する応力は大きくなり、また、弧状部ｍの曲率が大きくなるほど、
弧状部ｍに発生する応力は大きくなる傾向にある。
【００３６】
一方で、燃料電池セル３３あたりの発電量を増大させるためには、弧状部ｍ−ｍ間の距離と、平坦部ｎ−ｎ間の距離の比は大きくなる方が望ましい。これらの理由から、弧状部ｍ−ｍ間の距離は１０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲が望ましく、さらに、１５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲が望ましい。また、平坦部ｎ−ｎ間の距離は２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とすることが望ましく、さらに、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲が望ましい。
【００３７】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には集電部材８５が介在され、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ｂは、支持体３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｅ、集電部材８５を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｄに電気的に接続されている。
【００３８】
図３に本発明の燃料電池セル３３の縦断面図を示す。この燃料電池セル３３に形成されたガス流路８３の下部が供給口であり、ガス流路８３の上部が排出口である。このガス流路８３に燃料ガスを流通させ、燃料電池セル３３の外側に酸素含有ガスを流通させ、発電を行う。このとき、余剰ガスは燃料電池セル３３の排出口の近傍で燃焼し、燃料電池セル３３を加熱する。
【００３９】
そして、燃料電池セル３３は、図３（ａ）に示すように、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部ＡにはＣ面が形成されている。なお、図３（ｂ）に示すように、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部ＡにＲ面を形成してもよい。いずれの燃料電池セル３３も、余剰ガスの燃焼により、燃料電池セル３３が急速に加熱されても、最も熱応力が高くなる排出口側の端面の角部Ａに面取りを施しているため、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａからの破壊が発生せず、急速な起動が可能となる。
【００４０】
なお、発生する応力を、より減少させる点から、Ｒ面を形成する方が、より好ましい。また、発生する応力が、より大きい弧状部ｍに形成された排出口側の端面の角部ＡのみをＲ面とし、その他の部分をＣ面としてもよい。あるいは、弧状部ｍに形成された排出口側の端面の角部ＡのみにＣ面あるいはＲ面を形成してもよい。
【００４１】
図４に本発明の燃料電池セル３３の他の形態の縦断面図を示す。図４（ａ）は、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａと、排出口の角部ＢにＣ面を形成したもので、図４（ｂ）は、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａと、排出口の角部ＢにＲ面を形成したものである。いずれの燃料電池セル３３も、余剰ガスの燃焼により、燃料電池セル３３が急速に加熱されても、熱応力が高くなる排出口の角部Ｂに面取りを施しているため、燃料電池セル３３の排出口側の角部Ｂからの破壊が発生せず、急速な起動が可能となる。
【００４２】
排出口側の角部Ｂに面取りを施す場合も、応力を減少させるという面では、Ｒ面を形成する方が望ましい。
【００４３】
なお、これらの面取りは成形体に施しても、焼結体に施してもよいが、切削性や余分な残留応力を発生させないという点から、成形体、あるいは仮焼体に施す方が望ましい。また、作業性という点では強度の高い焼結体に施す方が望ましい。
【００４４】
なお、これらの面取りはリューターや、サンドペーパー、あるいは治具や、平面研削機などを用いて施されるが、その手法は特に限定するものではない。
【００４５】
以上、説明した本発明の燃料電池セル３３では、熱応力により破壊が発生しやすい扁平状の燃料電池セル３３を急速に加熱した場合でも燃料電池セル３３の排出口側の端面からの破壊が防止され、燃料電池の急速な起動が可能となる。
【００４６】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような扁平状で複数のガス流路８３を有する燃料電池セル３３を用いて説明したが、燃料電池セル３３はガス流路８３が一つであっても良く、燃料電池セル３３の形状は特に限定されるものではない。
【００４７】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を、酸素含有ガス管７３を介して熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して燃料電池セル３３間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管５１を介して燃料電池セル３３のガス流路に供給し発電させる。
【００４８】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３のガス流路の上端から燃焼空間３７内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは燃焼空間３７内に流れ、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。
【００４９】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼空間３７内に導入され、この燃焼空間３７中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼空間３７を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００５０】
さらに、セルスタック３５の上部に燃焼空間３７、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼空間３７で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００５１】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００５２】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを発電空間７５内に確実に供給できる。
【００５３】
また、本発明で形成した燃料電池セル３３の端面への面取りは、熱応力や、その他の応力による破壊を防止できるため、例えば供給口側の端面の角部や、供給口側の端面のガス流路８３の角部に施してもよい。
【００５４】
また、さらに、上記例では、燃料電池セル３３を直列に接続した例について説明したが、並列に接続してもよいことは勿論である。
【００５５】
また、燃料側電極３３ｂを内側電極としたが、酸素側電極３３ｄを内側電極としても良い。
【００５６】
さらに、一つの燃料ガスタンク４５を用いて燃料電池セル３３に燃料ガスを供給する場合について説明したが、本発明では、燃料電池セル３３列毎に燃料ガスタンク４５を設け、これらの間に、燃料電池セル３３を直接加熱するバーナを設けることもできる。この場合には、起動時にバーナにより燃料電池セル３３を直接加熱し、さらに起動を迅速に行うことができる。
【００５７】
【実施例】
先ず、ＮｉＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末とを混合し、この混合物に、ポアー剤と、ＰＶＡからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを加え、混合した支持体材料を押出成形して、内部にガス流路８３を有する扁平状の支持体成形体を作製し、これを乾燥した。
【００５８】
この支持体成形体を用いて、焼成後に長さが１８０ｍｍとなるように支持体成形体を加工し、乾燥後、１０００℃で仮焼した。
【００５９】
次に、ＮｉＯ粉末、８ＹＳＺ粉末（Ｙ２Ｏ３を８モル含有するＺｒＯ２）を、ＮｉＯの金属Ｎｉ換算量とＹ２Ｏ３粉末との比が体積比で４８：５２となるように混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加えて、燃料側電極材料スラリーを作製し、仮焼した支持体成形体表面に厚さが２０μｍになるよう印刷し、燃料側電極成形体を形成した。
【００６０】
また、８ＹＳＺ粉末（Ｙ２Ｏ３を８モル含有するＺｒＯ２）にアクリル系バインダーとトルエンを加えて得たスラリーからドクターブレード法にて厚み４０〜６０μｍの固体電解質シート状成形体を作製した。
【００６１】
次に、支持体成形体の仮焼体上に燃料側電極成形体を形成した表面に、上記固体電解質シート状成形体を、その両端間が平坦部で所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥し、１０５０℃で仮焼した。
【００６２】
この後、ＬａＣｒＯ３系材料と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いてインターコネクタシート状成形体を作製し、先に作製した仮焼体の、露出した支持体成形体の仮焼体の平坦部外面に積層し、支持体成形体、燃料側電極成形体、固体電解質シート状成形体の仮焼体に、インターコネクタシート状成形体を積層した。次に、この積層体を脱バインダ処理し、大気中にて１５００℃で同時焼成した。
【００６３】
次に、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒とから、酸素側電極スラリーを作製し、このスラリーを仮焼した固体電解質シート状成形体の表面に吹き付け、酸素側電極成形体を形成し、また、上記スラリーを焼成したインターコネクタ３３ｅの外面に塗布し、１１５０℃で焼き付け、酸素側電極３３ｄを形成するとともに、インターコネクタ３３ｅの外面にＰ型半導体（図示せず）を形成し、図２に示すような本発明の燃料電池セル３３を作製した。
【００６４】
なお、支持体３３ａの長径（ｍ−ｍ間距離）は２６ｍｍ、短径は３．５ｍｍ（ｎ−ｎ間距離）、燃料側電極３３ｂと酸素側電極３３ｄの間に形成された固体電解質３３ｃの厚みは４０μｍ、酸素側電極３３ｄの厚みは５０μｍ、燃料側電極３３ｂの厚みは１０μｍ、インターコネクタ３３ｅの厚みは５０μｍ、Ｐ型半導体の厚みは５０μｍであった。また、それぞれの燃料電池セル３３の両端部にはそれぞれ１５ｍｍの非発電部を形成した。
【００６５】
これらの燃料電池セル３３の排出口側となる端部の角部Ａと排出口の角部Ｂに、Ｃ面、Ｒ面を施した。なお、Ｃ面、Ｒ面の形成は成形体の状態で行っても、焼結体の状態で行ってもよい。
【００６６】
これらの燃料電池セル３３をそれぞれ１０試料用いて、起動試験を行った。燃料電池セル３３のガス流路８３に燃料ガスを流し、燃料電池セル３３の排出口の近傍で燃料ガスを燃焼させ、燃料電池セル３３の中央部の温度が８５０℃となるまで４０℃／分の昇温速度で加熱し、８５０℃で１時間保持した後、冷却し、それぞれの燃料電池セル３３について破壊やクラックの有無を確認した。
【００６７】
表１に燃料電池セル３３の各部のＣ面、Ｒ面の有無と、燃料電池セル３３の破壊、クラックの発生の有無を示す。
【００６８】
【表１】
表１から燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａ、排出口の角部ＢにＣ面、Ｒ面を施していない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は１０試料のうち、２つにクラックが発生した。
【００７０】
一方、燃料電池セル３３の排出口側の端面の角部Ａと排出口の角部Ｂのいずれかに、Ｃ０．０５ｍｍ以上のＣ面あるいは、Ｒ０．０５ｍｍ以上のＲ面を施した本発明の試料Ｎｏ．２〜１３はいずれも、燃料電池セル３３の破壊もクラックの発生もなかった。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、固体電解質型燃料電池セルの燃料ガス排出口の近傍にガスの燃焼部を設けた燃料電池セルの排出口側の角部を面取りすることで、急速な加熱による固体電解質型燃料電池セルの破壊を防止できるとともに、起動時間を格段に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】本発明の燃料電池セルを示す縦断面図である。
【図４】本発明の燃料電池セルの他の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３・・・固体電解質型燃料電池セル
８３・・・ガス流路
Ａ・・・排出口側の端面の角部
Ｂ・・・排出口の角部
Claims (7)
- 一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セルであって、前記排出口側の端面の角部が面取りされていることを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。
- 一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が軸長方向に形成されるとともに、前記排出口の近傍が燃焼部として機能する柱状の固体電解質型燃料電池セルであって、前記排出口の角部が面取りされていることを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。
- 前記面取りされた形状がＣ面又はＲ面であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 前記面取りはＣ０．０５ｍｍ以上のＣ面であることを特徴とする請求項３記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 前記面取りはＲ０．０５ｍｍ以上のＲ面であることを特徴とする請求項３記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 固体電解質型燃料電池セルの断面形状が扁平柱状であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 収納容器内に請求項１乃至６のうちいずれかに記載の固体電解質型燃料電池セルを複数収納してなることを特徴とする燃料電池。
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Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006059789A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-03-02 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
| JP2006140097A (ja) * | 2004-11-15 | 2006-06-01 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
| JP2006172952A (ja) * | 2004-12-16 | 2006-06-29 | Tokyo Gas Co Ltd | 横縞方式の固体酸化物形燃料電池 |
| WO2007034835A1 (ja) | 2005-09-20 | 2007-03-29 | Kyocera Corporation | 燃料電池セルおよびその製法 |
| JP2007095383A (ja) * | 2005-09-27 | 2007-04-12 | Kyocera Corp | 燃料電池セル用支持体及びその製法、並びに燃料電池セル及びその製法 |
| JP2009522745A (ja) * | 2006-01-06 | 2009-06-11 | シーメンス パワー ジェネレイション インコーポレイテッド | シームレス固体酸化物型燃料電池 |
| WO2010050330A1 (ja) * | 2008-10-29 | 2010-05-06 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池セルの製造方法 |
| JP2011154935A (ja) * | 2010-01-28 | 2011-08-11 | Kyocera Corp | 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池 |
| US8263272B2 (en) | 2004-11-09 | 2012-09-11 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Cogeneration system using fuel cell |
| JP2013149506A (ja) * | 2012-01-20 | 2013-08-01 | Tdk Corp | 積層型固体酸化物形燃料電池 |
| JP5455270B1 (ja) * | 2012-11-30 | 2014-03-26 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池 |
| JP2014179245A (ja) * | 2013-03-14 | 2014-09-25 | Kyocera Corp | 電気化学セルスタック装置および電気化学装置 |
| JP2017174676A (ja) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | 京セラ株式会社 | 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 |
| JP2018041561A (ja) * | 2016-09-05 | 2018-03-15 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
| WO2020012699A1 (ja) * | 2018-07-12 | 2020-01-16 | 日本碍子株式会社 | セルスタック装置 |
| US10727524B2 (en) | 2018-07-12 | 2020-07-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Cell stack device |
-
2003
- 2003-01-29 JP JP2003020873A patent/JP4261927B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006059789A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-03-02 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
| JP4544975B2 (ja) * | 2004-07-21 | 2010-09-15 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル及び燃料電池 |
| US8263272B2 (en) | 2004-11-09 | 2012-09-11 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Cogeneration system using fuel cell |
| JP2006140097A (ja) * | 2004-11-15 | 2006-06-01 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
| JP2006172952A (ja) * | 2004-12-16 | 2006-06-29 | Tokyo Gas Co Ltd | 横縞方式の固体酸化物形燃料電池 |
| WO2007034835A1 (ja) | 2005-09-20 | 2007-03-29 | Kyocera Corporation | 燃料電池セルおよびその製法 |
| JP2007095383A (ja) * | 2005-09-27 | 2007-04-12 | Kyocera Corp | 燃料電池セル用支持体及びその製法、並びに燃料電池セル及びその製法 |
| JP2009522745A (ja) * | 2006-01-06 | 2009-06-11 | シーメンス パワー ジェネレイション インコーポレイテッド | シームレス固体酸化物型燃料電池 |
| WO2010050330A1 (ja) * | 2008-10-29 | 2010-05-06 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池セルの製造方法 |
| US8722281B2 (en) | 2008-10-29 | 2014-05-13 | Kyocera Corporation | Fuel cell, fuel cell module, and fuel cell device |
| US20110256464A1 (en) * | 2008-10-29 | 2011-10-20 | Kyocera Corporation | Fuel Cell, Fuel Cell Module, Fuel Cell Device, and Method of Manufacturing Fuel Cell |
| JPWO2010050330A1 (ja) * | 2008-10-29 | 2012-03-29 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池セルの製造方法 |
| JP5295262B2 (ja) * | 2008-10-29 | 2013-09-18 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池セルの製造方法 |
| CN102197526A (zh) * | 2008-10-29 | 2011-09-21 | 京瓷株式会社 | 燃料电池单元、燃料电池模块、燃料电池装置及燃料电池单元的制造方法 |
| JP2011154935A (ja) * | 2010-01-28 | 2011-08-11 | Kyocera Corp | 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池 |
| JP2013149506A (ja) * | 2012-01-20 | 2013-08-01 | Tdk Corp | 積層型固体酸化物形燃料電池 |
| JP5455270B1 (ja) * | 2012-11-30 | 2014-03-26 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池 |
| JP2014179245A (ja) * | 2013-03-14 | 2014-09-25 | Kyocera Corp | 電気化学セルスタック装置および電気化学装置 |
| JP2017174676A (ja) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | 京セラ株式会社 | 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 |
| JP2018041561A (ja) * | 2016-09-05 | 2018-03-15 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
| WO2020012699A1 (ja) * | 2018-07-12 | 2020-01-16 | 日本碍子株式会社 | セルスタック装置 |
| US10727524B2 (en) | 2018-07-12 | 2020-07-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Cell stack device |
| CN112352338A (zh) * | 2018-07-12 | 2021-02-09 | 日本碍子株式会社 | 电池堆装置 |
| CN112352338B (zh) * | 2018-07-12 | 2021-11-30 | 日本碍子株式会社 | 电池堆装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4261927B2 (ja) | 2009-05-13 |
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